[論文レビュー] Coded Merkle Tree: Solving Data Availability Attacks in Blockchains

Mingchao Yu, Saeid Sahraei+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2019

Caching and Content Delivery参考文献 24被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、Merkleツリーの各層にスパースLDPC符号を用いることで、ブロックチェーンにおけるデータ可用性検証を定数コストで実現する新しいハッシュアキュムレータ、Coded Merkle Tree (CMT) を提案する。符号化層に対して反復的ペーリングデコードを適用し、ハッシュをバッチ処理することで、CMTは軽量ノードが O(1) のヘッダー取得と O(log b) のサンプリングでブロックの可用性を検証可能であり、最小限のオーバーヘッドで効率的な不正証明を可能にする。2D-RS方式に比べ、デコード速度と通信コストの両面で優れている。

ABSTRACT

In this paper, we propose coded Merkle tree (CMT), a novel hash accumulator that offers a constant-cost protection against data availability attacks in blockchains, even if the majority of the network nodes are malicious. A CMT is constructed using a family of sparse erasure codes on each layer, and is recovered by iteratively applying a peeling-decoding technique that enables a compact proof for data availability attack on any layer. Our algorithm enables any node to verify the full availability of any data block generated by the system by just downloading a $Θ(1)$ byte block hash commitment and randomly sampling $Θ(\log b)$ bytes, where $b$ is the size of the data block. With the help of only one connected honest node in the system, our method also allows any node to verify any tampering of the coded Merkle tree by just downloading $Θ(\log b)$ bytes. We provide a modular library for CMT in Rust and Python and demonstrate its efficacy inside the Parity Bitcoin client.

研究の動機と目的

• 正当なヘッダーを発行したにもかかわらず、悪意あるブロックプロデューサーがブロックの一部を隠すデータ可用性攻撃に対処すること。
• 大多数のフルノードが不正であっても、最小限のダウンロードコストで軽量ノードがデータ可用性を検証できること。
• 不正な符号化またはデータ非可用性の証明を効率的かつコンパクトに生成できるシステムを設計すること。これにより、完全なブロックのダウンロードを必要とせずに信頼を確保できる。
• 従来のエラーレースコードベースの手法（例：2D-RS）に比べ、定数コストの検証と高速なデコードを達成すること。
• 最小限の変更と後方互換性を保ちながら、実際のブロックチェーンシステムに統合できること。

提案手法

• スパースLDPC符号（(6,8) スパarsity、停止比 β=0.124）を用いて各層を符号化し、部分的なデータの隠蔽に耐性を持つ。
• 各符号化層のハッシュを次の層のデータシンボルにバッチ処理し、ルートハッシュの数を固定サイズ t=256 に削減する。
• 符号化層に対して反復的ペーリングデコードを適用し、欠落または破損したシンボルを高確率で検出・回復する。
• 軽量ノードが O(log b) の符号化シンボルをサンプリングし、CMTルートに対するMerkle証明を検証することで、データ可用性を検証可能にする。
• 不正な符号化証明を d−1=7 個の符号化シンボルとそのMerkle証明のみで生成し、従来の手法に比べて証明サイズを顕著に削減する。
• Rust および Python で実装されたモジュラー CMT ライブラリを提供し、標準MerkleツリーAPIに置き換え可能であり、後方互換性と低統合コストを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンシステムは、ブロックサイズに依存しない定数通信コストで、軽量ノードがデータ可用性を検証可能か？
• RQ2 大多数のノードが不正であっても、最小限の証明サイズでデータ可用性攻撃を検出し、証明可能か？
• RQ3 スパースLDPC符号を用いて、効率的かつコンパクトな不正証明とサンプリングベースの検証を可能にするハッシュアキュムレータを構築可能か？
• RQ4 2D-RSベースのシステムと比較して、Coded Merkle Tree におけるサンプリング効率、証明サイズ、デコード速度のトレードオフはいかほどか？
• RQ5 CMT は、最小限の変更と追加帯域幅コストなしに、既存のブロックチェーンクライアントに統合可能か？

主な発見

• 64MB のブロックに対して、SPAR のヘッダーコストはブロックサイズの 0.01% に留まり、2D-RS の 0.1% に比べ顕著なヘッダーサイズ削減を実現した。
• SPAR における不正符号化証明サイズはブロックサイズの 0.051% であり、2D-RS の 0.48% に比べ 10 倍小さい。
• 弱い敵対者環境下では、SPAR は 99% の信頼性を達成するためのサンプル数が 8 個で十分であるのに対し、2D-RS は 17 個を要する。これは、欠落シンボル耐性が高いため（平均 47% 対 25%）。
• SPAR のデコード速度は、すべてのテストブロックサイズで 2D-RS よりも 10 倍以上高速であり、スパースかつバイナリ符号化による恩恵がある。
• 弱い敵対者環境下では、SPAR のサンプリングコストは 2D-RS より 2.5–4 倍高いが、ルートサイズ t を増加させることでMerkle証明サイズを縮小し、これを低減可能である。
• CMT ライブラリは標準Merkleツリーと後方互換性があり、Parity Bitcoin などの既存クライアントへの統合も最小限の変更で実現可能である。